黄土草被坡面浅层滑坡特征及其对水土和碳氮流失的影响研究

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自国家退耕还林还草工程大规模实施以来,黄土高原植被建设工程成效瞩目,水土流失程度得到良好改善,水力侵蚀得到有效控制。然而,在长历时降雨或暴雨条件下,坡面经过雨水充分浸泡,黄土高塬沟壑区植被恢复坡面仍然会触发大范围群体性浅层滑坡,造成沟谷堰塞、道路受阻,对区域农业生产以及生态环境构成威胁。当前关于黄土滑坡的研究更侧重于裸露坡面滑坡成因机理探索,关于植被坡面浅层滑坡特征及滑坡扰动下径流泥沙输送和碳氮元素损失的规律尚不清晰。因此,本文以黄土草被坡面浅层滑坡为研究对象,采用野外模拟降雨试验,建立裸地小区和草被小区,研究了1.0 mm/min雨强下35°~40°坡面浅层滑坡特征与成因、浅层滑坡对产流产沙和碳氮流失的影响,深化对植被坡面浅层滑坡侵蚀的认识,为黄土区植被坡面浅层滑坡灾害的防治提供科学参考。主要研究结果如下:(1)降雨诱发的浅层滑坡是对土壤饱和过程的响应。裸坡滑坡深度高于草被坡面,植被根土复合体界面的存在降低了滑动面的深度;草被小区在降雨持续渗流作用下,滑坡区土壤体积含水率和孔隙水压力由下坡位沿中坡位、上坡位方向发展,随着土壤体积含水率和孔隙水压力的增大,坡体逐渐达到饱和状态;根系作用在滑坡面上下层之间形成不同的土壤环境,使滑动面上层土壤容重偏低,总孔隙度和饱和导水率偏高,随着入渗水分充满根土空间,根土饱和层将沿滑动面下滑。(2)滑坡影响坡面产流入渗过程,抑制降雨入渗,促进坡面产流。滑坡前径流率随降雨历时呈线性增长趋势,滑坡后径流率随降雨历时呈幂函数或二次函数变化趋势,滑坡后径流率均值较滑坡前增加125.0%~1357.6%;滑坡前入渗率随降雨历时呈线性减小趋势,滑坡后入渗率随降雨历时呈二次函数变化趋势,滑坡后入渗率均值较滑坡前减少55.7%~90.0%。滑坡发生后草被植物的减水效益降低。(3)滑坡影响坡面产沙过程,显著提高坡面侵蚀产沙量,并改变坡面水沙关系。滑坡前产沙率随降雨历时呈幂函数增长趋势,滑坡后产沙率随降雨历时呈指数函数变化趋势,滑坡后产沙率均值较滑坡前增加了7.18倍~899.00倍;滑坡发生后草被植物的减沙效益降低。水沙相关分析显示,滑坡前水沙相关性强于滑坡后;累计产沙量随累计产流量、累计入渗量增加呈线性或幂函数递增,滑坡后泥沙对径流的响应速率高于滑坡前。(4)滑坡引起土壤有机碳的再分配,降低泥沙中有机碳含量,增加有机碳的流失风险,影响有机碳流失对水沙的响应。滑坡后泥沙有机碳含量均值较滑坡前减少23.6%~62.6%;滑坡后径流和泥沙中有机碳流失速率均值较滑坡前依次增大0.95倍~10.60倍和6.18倍~189.14倍;有机碳流失与径流泥沙相关分析显示,滑坡前相关性强于滑坡后;有机碳流失与径流泥沙回归分析显示,滑坡对有机碳流失与径流泥沙响应关系的影响较小。滑坡扰动后草被对有机碳流失的削减率减小。(5)滑坡驱动水沙及全氮的迁移,改变径流泥沙中全氮含量,增加全氮的流失风险,影响全氮流失与水沙的关系。滑坡后径流全氮含量均值较滑坡前增加3.0%~52.1%,而泥沙全氮含量均值较滑坡前减少16.5%~54.3%;滑坡后径流和泥沙中全氮流失速率均值较滑坡前分别增加1.20倍~9.29倍和6.60倍~228.17倍;全氮流失与径流泥沙相关分析显示,滑坡前相关性强于滑坡后;全氮流失与径流泥沙回归分析显示,滑坡不会改变全氮流失与径流泥沙的响应关系,但会显著增大其侵蚀流失量。滑坡扰动后草被对全氮流失的削减率减小。
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